Hiukkasten eläintarha laajenee
1940-luvun alussa näytti siltä, että fyysikot saivat perushiukkaset ja niiden vuorovaikutukset hallintaan. He tiesivät elektroneista, protoneista ja neutroneista sekä neutriinoista ja jopa positroneista, elektronien ”antihiukkasista”, jotka Paul Dirac oli ennustanut 1920-luvulla. He ymmärsivät, että oli olemassa painovoiman ja sähkömagnetismin ulkopuolisia voimia, vahvoja ja heikkoja ydinvoimia, ja työskentelivät ymmärtääkseen niitä paremmin.
Mutta arvoituksia ilmaantui, kun odottamattomia uusia hiukkasia ilmestyi. Fyysikot löysivät myoneja kosmisesta säteilystä pilvikammiokokeella vuonna 1936. (Nimitys ”pilvikammio” tulee siitä, että vesihöyryn läpi kulkevat sähköisesti varautuneet hiukkaset muodostavat jälkeensä pieniä pilvijälkiä.) He löysivät pioneja vastaavalla tavalla vuonna 1947.
Samana vuonna Butler ja Rochester ilmoittivat löytäneensä hiukkasia, joita he kutsuivat V+:ksi ja V0:ksi. He päättelivät aineistonsa ”epätavallisesta haarukasta”, että oli olemassa kaksi melko massiivista hiukkasta, toinen positiivisesti varautunut ja toinen neutraali, jotka olivat hajonneet toisiksi hiukkasiksi.
Hiukkasilla oli useita kummallisia ominaisuuksia. Ensinnäkin ne olivat raskaita – noin viisi kertaa enemmän kuin myonin massa – mikä johti toiseen arvoitukseen. Tavallisesti raskaammilla hiukkasilla on lyhyempi elinikä, mikä tarkoittaa, että ne pysyvät olemassa vähemmän aikaa ennen hajoamistaan toisiksi, kevyemmiksi hiukkasiksi. Kokeiden edetessä tutkijat huomasivat kuitenkin, että hiukkasilla oli raskaudestaan huolimatta suhteellisen pitkä elinikä.
Toinen outo piirre: Hiukkasia oli helppo valmistaa, mutta fyysikot eivät koskaan näyttäneet pystyvän tuottamaan niitä vain yhtä kerrallaan. Murskaamalla esimerkiksi pionin ja protonin yhteen voit luoda uusia hiukkasia, mutta vain pareittain. Samalla ne saattoivat hajota toisistaan riippumatta.
Kummallinen uusi maailma
1950-luvulla Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais ja muut keksivät tavan selittää joitain kaonien ja muiden vastikään löydettyjen hiukkasten kummallisia käyttäytymismalleja. Ajatuksena oli, että näillä hiukkasilla oli ominaisuus nimeltä ”outous”. Nykyään fyysikot ymmärtävät kummallisuuden hiukkaseen liittyvänä kvanttilukuna. Joidenkin hiukkasten outous on nolla, mutta toisten hiukkasten outous voi olla +1, -1 tai periaatteessa mikä tahansa muu kokonaisluku.
Tärkeää on, että strangenessin on pysyttävä vakiona, kun hiukkasia syntyy vahvojen ydinvoimien avulla, mutta ei silloin, kun ne hajoavat heikkojen ydinvoimien avulla.
Ylläolevassa esimerkissä, jossa pioni ja protoni törmäävät toisiinsa, molempien hiukkasten strangeness on yhtä suuri kuin nolla. Kaiken lisäksi tuota vuorovaikutusta säätelee vahva voima, joten syntyvien hiukkasten strangenessin on myös summauduttava nollaan. Tuotteisiin voisi kuulua esimerkiksi neutraali kaoni, jonka outous on 1, ja lambdahiukkanen, jonka outous on -1, mikä kumoaa kaonin outouden.
Tämä selittää, miksi oudot hiukkaset esiintyvät aina pareittain – yhden hiukkasen outous on kumottava toisen hiukkasen outoudella. Se, että ne syntyvät vahvan vuorovaikutuksen kautta mutta hajoavat heikon vuorovaikutuksen kautta, joka yleensä kestää kauemmin, selitti suhteellisen pitkät hajoamisajat.
Nämä havainnot johtivat useisiin perustavanlaatuisempiin oivalluksiin, sanoo Jonathan Rosner, teoreettinen fyysikko Chicagon yliopistosta. Kun Gell-Mann ja kollegat kehittivät teoriaansa, he huomasivat voivansa järjestää hiukkasryhmiä kimppuihin, jotka liittyvät toisiinsa kummallisuuden ja sähkövarauksen perusteella, järjestelmä, joka tunnetaan nykyään nimellä The Eightfold Way. Pyrkimykset selittää tämä järjestäytyminen johtivat ennusteeseen taustalla olevasta hiukkasjoukosta: kvarkit.
Pitkä ja lyhyt selitys
Toinen tärkeä piirre kummallisuusteoriassa: Kun tutkijat havaitsivat, että oudot kaonit voivat hajota esimerkiksi tavallisiksi pioneiksi, he arvelivat, että heikon ydinvuorovaikutuksen, toisin kuin vahvan ydinvuorovaikutuksen, ei tarvinnut pitää outoutta vakiona. Tämä havainto pani liikkeelle sarjan teoreettisia ja kokeellisia kehityskulkuja, joiden kanssa fyysikot kamppailevat vielä tänäkin päivänä.
Perustaen teorioihin, joiden mukaan neutraalilla kaonilla pitäisi olla antihiukkanen, jolla on vastakkainen outous kuin tavallisella neutraalilla kaonilla, Gell-Mann ja Pais päättelivät, että neutraali kaoni voisi monimutkaisten prosessien kautta, joihin liittyy heikko vuorovaikutus, muuttua omaksi antihiukkasekseen.
Suunnitelmalla on merkittävä seuraus: Se merkitsee, että on olemassa kaksi uutta hiukkasta – itse asiassa neutraalin kaonin ja sen antihiukkasen erilaisia yhdistelmiä – joilla on erilainen elinikä. K-pitkä, kuten sitä nyt kutsutaan, kestää keskimäärin noin 50 miljardisosan sekuntia, kun taas K-lyhyt kestää vain vajaan miljardisosan sekunnin kymmenesosan ennen hajoamistaan. Rosner sanoo, että näiden hiukkasten ennustaminen kuului Gell-Mannin suosikkituloksiin, koska ne tulivat niin helposti esiin kvanttifysiikan perusasioista.
A symmetry of nature, dethroned
Yksi tärkeistä asioista K-pitkässä ja K-lyhkässä, ainakin Gell-Mannin ja Paisin teoriassa, oli se, että ne noudattivat jotain, jota kutsutaan CP-symmetriaksi. Karkeasti sanottuna CP-symmetria sanoo, että jos vaihdettaisiin jokainen hiukkanen sen antihiukkaseen ja käännettäisiin avaruus eräänlaiseksi peilikuvalliseksi maailmankaikkeudeksi, fysiikan lait pysyisivät samoina. CP-symmetria pätee kaikessa klassisessa fysiikassa, ja juuri CP:n kvanttivariantti motivoi Gell-Mannia ja Paisia. (Teknisesti ottaen Gell-Mannin ja Paisin motiivina oli alun perin pelkkä C-symmetria, mutta he joutuivat päivittämään teoriaansa, kun kokeissa selvisi, että heikot vuorovaikutukset rikkoivat sekä varauksen konjugaatio- että pariteettisymmetriaa – mutta niin, että CP itsessään näytti pysyvän hyvänä symmetriana.)
Ironisesti CP-symmetriaan perustuva tulos johti sen tuhoon: Vuonna 1964 James Cronin, Val Fitch ja Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa työskentelevät työtoverit havaitsivat, että K-pitkä voi – hyvin harvoin – hajota kahdeksi pioniksi, reaktio, joka rikkoo CP-symmetriaa. Kaonien hajoaminen rikkoi sittenkin CP-symmetriaa.